硬質(zhì)合金磨削過(guò)程中的機(jī)床--工藝交互作用預(yù)測(cè)及控制研究.pdf

1、近年來(lái)，伴隨著航空航天、汽車(chē)、船舶、電子等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)于高效、高精度硬質(zhì)合金刀具的需求日益迫切。硬質(zhì)合金材料具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，增加了加工的難度，采用磨削加工是目前實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金產(chǎn)品精密與超精密加工的主要手段。在磨削加工過(guò)程中，機(jī)床與加工工藝過(guò)程之間構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)交互系統(tǒng)，在這個(gè)交互系統(tǒng)中產(chǎn)生的振動(dòng)、彈性變形、熱變形等物理現(xiàn)象是造成加工精度下降、表面質(zhì)量變差、砂輪磨損等結(jié)果的主要原因。對(duì)于高硬材料精密磨削加工過(guò)程，機(jī)床與工藝過(guò)

2、程之間交互作用的影響往往更為突出。目前精密磨削加工中缺乏對(duì)機(jī)床與工藝過(guò)程交互作用的綜合理解，因此限制了硬質(zhì)合金產(chǎn)品磨削質(zhì)量和磨削效率的進(jìn)一步提升。
　　為了實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料的精密高效加工，就需要綜合考慮磨削過(guò)程中機(jī)床與工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)交互作用的影響，通過(guò)對(duì)這種交互作用的預(yù)測(cè)和控制來(lái)優(yōu)化磨削過(guò)程。為此，本文采用理論研究、建模仿真與科學(xué)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展硬質(zhì)合金材料磨削過(guò)程中機(jī)床-工藝動(dòng)態(tài)交互作用機(jī)理與控制的研究，進(jìn)一步提出了機(jī)床動(dòng)態(tài)

3、性能預(yù)測(cè)、磨削表面形貌仿真和工藝過(guò)程優(yōu)化的新方法。論文的主要研究工作如下:
　　1.綜合采用單顆磨粒切削仿真和虛擬砂輪磨削仿真兩種方法研究了硬質(zhì)合金的磨削機(jī)理。基于簡(jiǎn)化的圓錐形磨粒建立了單顆磨粒磨削力有限元仿真模型，進(jìn)而分析了磨粒粒度和磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，并通過(guò)單顆金剛石磨粒劃擦硬質(zhì)合金實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。研究了虛擬砂輪的建模方法，建立了磨粒形狀、尺寸及磨粒間距都呈隨機(jī)分布的砂輪表面形貌模型，并基于該砂輪模型對(duì)磨削過(guò)程

4、進(jìn)行了仿真，研究了磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，最后通過(guò)磨削硬質(zhì)合金實(shí)驗(yàn)對(duì)該仿真方法做了進(jìn)一步驗(yàn)證。
　　2.建立了機(jī)床-工藝交互模型的數(shù)學(xué)描述方法，提出了用于機(jī)床模型與工藝過(guò)程模型的耦合仿真策略。研究了機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的建模方法，建立了主軸-砂輪系統(tǒng)的有限元模型，并通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。采用耦合仿真方法實(shí)現(xiàn)了主軸-砂輪模型與磨削力模型之間的集成，開(kāi)發(fā)了耦合仿真接口用于實(shí)現(xiàn)不同仿真軟件之間的數(shù)據(jù)交換，提出了用于耦合仿真的迭代算法

5、，并通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果做了驗(yàn)證。
　　3.研究了角接觸球軸承的動(dòng)力學(xué)建模方法，綜合考慮軸承內(nèi)外圈熱變形及離心膨脹的影響建立了軸承非線性動(dòng)力學(xué)模型，然后將主軸模型和軸承模型進(jìn)行集成建立了主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)耦合仿真方法將磨削力理論模型與主軸系統(tǒng)模型進(jìn)行耦合，基于該耦合模型進(jìn)一步預(yù)測(cè)了主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)研究了工藝參數(shù)對(duì)主軸動(dòng)剛度的影響規(guī)律。
　　4.分析了磨削過(guò)程中砂輪磨粒與工件的干涉作用，建立了磨粒運(yùn)

6、動(dòng)軌跡方程和工件表面形貌方程。考慮主軸-砂輪結(jié)構(gòu)與磨削過(guò)程之間的交互作用，研究了磨削表面形貌的仿真方法。通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)分析了磨削參數(shù)對(duì)磨削表面形貌的影響，將實(shí)驗(yàn)得到的磨削表面與仿真表面進(jìn)行比較，結(jié)果表明該仿真方法可以有效的預(yù)測(cè)磨削表面形貌。
　　5.研究了數(shù)控加工中進(jìn)給率定制的方法，構(gòu)建了磨削過(guò)程進(jìn)給率自適應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)框架，提出了一種基于機(jī)床-工藝集成力預(yù)測(cè)模型的多因素約束進(jìn)給率自適應(yīng)控制方法，給出了進(jìn)給率在線自適應(yīng)優(yōu)化的算法，最后通